Шифровальная машина SIGCUM: История и конструкция

Введение

Американская машина шифрования, использовавшаяся с 1943 года до 1960-х годов.

SIGCUM, также известная как Converter M 228, была роторной шифровальной машиной, использовавшейся армией Соединенных Штатов для шифрования трафика телепринтеров. Система была поспешно разработана Уильямом Фридманом и Фрэнком Роулеттом и введена в эксплуатацию в январе 1943 года, до проведения какого-либо серьезного анализа ее безопасности. Впоследствии Роулетт обнаружил уязвимость SIGCUM, и машина была немедленно снята с вооружения. Затем машина была переработана для повышения безопасности, вновь введена в эксплуатацию в апреле 1943 года и оставалась в использовании до 1960-х годов.

Разработка

В 1939 году Фридман и Роулетт работали над созданием безопасной системы шифрования телепринтера. Они решили не использовать систему на основе ленты, такую как предложенная Гилбертом Вернамом, и вместо этого задумали идею генерации потока пятибитных импульсов с помощью проводных роторов. Однако из-за недостатка средств и интереса, предложение не было реализовано в то время. Это изменилось с вступлением Соединенных Штатов во Вторую мировую войну в декабре 1941 года. Роулетту было поручено разработать систему шифрования телепринтера для использования между командными центрами армии в Великобритании и Австралии (а позже в Северной Африке). Фридман описал Роулетту конкретную конструкцию телепринтерной шифровальной машины, которую он изобрел. Однако Роулетт обнаружил некоторые недостатки в предлагаемой Фридманом схеме, показавшие, что конструкция была ошибочной. Под давлением отчитаться перед начальством о прогрессе работы, Фридман резко ответил, обвинив Роулетта в попытке подорвать его репутацию криптоаналитика. После того, как Фридман успокоился, Роулетт предложил несколько вариантов конструкции замены машины на основе роторов. Они остановились на одном из них и договорились составить полный проект и передать его на проверку другому криптоаналитику к следующему дню. Согласованная конструкция представляла собой специальное устройство для стандартного телепринтера. Устройство использовало стек из пяти 26-контактных роторов, таких же, как в SIGABA – высокозащищенной американской автономной шифровальной машине. Каждый раз, когда требовался ключевой символ, тринадцать входов в стек роторов активировались на входной панели. Проходя через стек роторов, эти тринадцать входов должны были быть перемешаны на выходной панели. Однако использовались только пять активных контактов. Эти пять выходов формировали пять двоичных импульсов, которые составляли ключевой поток для шифра и объединялись с самим сообщением, закодированным в 5-битном коде Бодо. Роторы продвигались одометрически, то есть после каждого шифрования "быстрый" ротор сдвигался на один шаг. После каждого оборота быстрого ротора "средний" ротор сдвигался на один шаг. Аналогично, после каждого оборота среднего ротора сдвигался "медленный" ротор, и так далее для двух других роторов. Однако, назначение роторов как "быстрого", "среднего", "медленного" и т.д. контролировалось набором из пяти многопозиционных переключателей. Это давало в общей сложности различные схемы шагания роторов. Машина была оснащена в общей сложности 10 роторами, каждый из которых мог быть установлен "прямо" или в обратном порядке, что обеспечивало возможное количество вариантов порядка и выравнивания роторов.

In 1939, Friedman and Rowlett worked on the problem of creating a secure teleprinter encryption system. They decided against using a tape based system, such as those proposed by Gilbert Vernam, and instead conceived of the idea of generating a stream of five bit pulses by use of wired rotors. Because of lack of funds and interest, however, the proposal was not pursued any further at that time. This changed with the United States' entry into World War II in December 1941. Rowlett was assigned to develop a teleprinter encryption system for use between Army command centers in United Kingdom and Australia (and later in North Africa). Friedman described to Rowlett a concrete design for a teleprinter cipher machine that he had invented. However, Rowlett discovered some flaws in Friedman's proposed circuitry that showed the design to be flawed. Under pressure to report to a superior about the progress of the machine, Friedman responded angrily, accusing Rowlett of trying to destroy his reputation as a cryptanalyst. After Friedman calmed down, Rowlett proposed some designs for a replacement machine based on rotors. They settled on one, and agreed to write up a complete design and have it reviewed by another cryptanalyst by the following day. The design agreed upon was a special attachment for a standard teleprinter. The attachment used a stack of five 26 contact rotors, the same as those used in the SIGABA, the highly secure US off line cipher machine. Each time a key character was needed, thirteen inputs to the rotor stack were energized at the input endplate. Passing through the rotor stack, these thirteen inputs were to be scrambled at the output endplate. However, only five live contacts would be used. These five outputs would form five binary impulses, which would form the keystream for the cipher, to be combined with the message itself, encoded in the 5 bit Baudot code. The rotors advanced odometrically; that is, after each encipherment, the "fast" rotor would advance one step. Once every revolution of the fast rotor, the "medium" rotor would step once. Similarly, ever revolution of the medium rotor, the "slow" rotor would step, and so on for the other two rotors. However, which rotor was assigned as the "fast", "medium", "slow" etc. rotors was controlled by a set of five multi switches. This gave a total of different rotor stepping patterns. The machine was equipped with a total of 10 rotors, each of which could be inserted "direct" or in reversed order, yielding possible rotor orderings and alignments.

Введение в машину

Конструкция этой машины, получившей обозначение Converter M 228 или SIGCUM, была передана корпорации Teletype Corporation, которая также производила SIGABA. Роулетт рекомендовал отложить внедрение машины до изучения ее криптографической стойкости, но армия срочно нуждалась в SIGCUM, и машина была запущена в производство. Затем Роулетт предложил осуществлять мониторинг машины, используемой в шифровальной комнате Пентагона, путем подключения устройства для печати копий – своеобразной "шпионской машины". Полученные отпечатки можно было бы изучить, чтобы установить устойчивость машины к взлому. Предложение Роулетта было реализовано одновременно с установкой первых машин M 228 в Пентагоне в январе 1943 года для обеспечения связи между Вашингтоном и Алжиром. Машины работали в соответствии с планом, и первоначальное исследование, проведенное Роулеттом и криптоаналитиком Робертом Фернером, не выявило признаков криптографической уязвимости. Однако через несколько дней оператор SIGCUM допустил серьезную ошибку, повторно передав одно и то же сообщение дважды с использованием одних и тех же настроек, что привело к возникновению глубины. Это позволило Роулетту восстановить исходный открытый текст и ключевой поток, используемые машиной. К 2 часам ночи анализ ключевого потока позволил ему определить схему соединений быстрых и средних роторов, а также выходных цепей. SIGCUM был немедленно снят с вооружения, и разработке системы замены, SIGTOT – машины с одноразовой лентой, спроектированной Лео Розеном, был присвоен наивысший приоритет.

Перепроектирование

Между тем, M 228 был перепроектирован для повышения безопасности. Было активировано только пять входов вместо тринадцати. Пять выходных контактов, вместо непосредственного использования в качестве пяти выходных битов, были соединены тремя проводами, каждый из которых подключен к разной выходной точке. Это означало, что выходной бит мог быть активирован любым из трех различных выходов лабиринта ротора, что усложняло анализ машины. Уменьшенное количество входов гарантировало отсутствие смещения в генерируемом ключе. Схема шагового перемещения роторов также была усложнена. Два самых медленных ротора, которые изначально редко перемещались в процессе шифрования, были перепроектированы таким образом, чтобы их перемещение зависело от выхода предыдущего ключа. Один ротор, обозначенный как ротор "быстрого сдвига", перемещался, если четвертый и пятый биты предыдущего выхода были установлены в "истину"; и аналогично ротор "медленного сдвига" делал то же самое для первого, второго и третьего битов. Определенные схемы перемещения роторов оказались слабее других и были исключены из ключевых списков. Эта переработанная версия M 228 была введена в эксплуатацию в апреле 1943 года. Однако машина считалась достаточно безопасной для обработки трафика уровня SECRET по проводной связи и CONFIDENTIAL по радиосвязи. Машиной также делились с Соединенным Королевством для совместных коммуникаций. Дальнейшая модифицированная версия M 228, предназначенная для передачи информации наивысшего уровня секретности, получила обозначение M 228 M или SIGHUAD. С этого момента армия осуществляла мониторинг связи своих систем высокого уровня, чтобы обеспечить соблюдение правильных оперативных процедур, даже для высокозащищенных устройств, таких как SIGABA и SIGTOT. В результате, плохие оперативные практики, такие как передача сообщений с большой глубиной шифрования, были в значительной степени устранены.